DE102021113058A1 - Nachbehandlungsprozesse für eine ionenstrahlätzung eines magnetischen tunnelkontakts und damit hergestellte strukturen - Google Patents

Nachbehandlungsprozesse für eine ionenstrahlätzung eines magnetischen tunnelkontakts und damit hergestellte strukturen Download PDF

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Abstract

Eine MTJ-Vorrichtung (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) weist Folgendes auf: eine Säulenstruktur, die von unten nach oben eine untere Elektrode und eine MTJ-Struktur aufweist; eine obere Elektrode, die über der MTJ-Struktur angeordnet ist; und eine dielektrische Metalloxidschicht, die sich von einer Seitenwand der Säulenstruktur bis zu einer Seitenwand der oberen Elektrode erstreckt. Die MTJ-Struktur enthält eine Referenzmagnetisierungsschicht mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht und eine freie Magnetisierungsschicht mit einem zweiten ferromagnetischen Material. Die obere Elektrode weist ein metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält. Die dielektrische Metalloxidschicht kann nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess durch Durchführen eines Oxidationsprozesses hergestellt werden, in dem eine Restmetallschicht oxidiert wird, wobei durch die dielektrische Metalloxidschicht leitende Pfade von Oberflächen der Säulenstruktur eliminiert werden.

Description

  • Verwandte Anmeldung
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 17. Juli 2020 eingereichten vorläufigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 63/053.025 und dem Titel „Ion Beam Etching (IBE) with post-treatment and MTJ structures thereof“ („Ionenstrahlätzung (IBE) mit Nachbehandlung und MTJ-Strukturen daraus“), die durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen ist.
  • Hintergrund
  • Der magnetische Tunnelwiderstand eines magnetischen Tunnelkontakts (MTJ) hängt von einer relativen Ausrichtung der Magnetisierung einer Referenzmagnetisierungsschicht und einer freien Magnetisierungsschicht ab. Diese Eigenschaft wird in MTJ-Speichervorrichtungen zum Speichern von Informationen verwendet, die als eine parallele Ausrichtung von Magnetisierungsrichtungen zwischen der Referenzmagnetisierungsschicht und der freien Magnetisierungsschicht oder als eine antiparallele Ausrichtung von Magnetisierungsrichtungen zwischen der Referenzmagnetisierungsschicht und der freien Magnetisierungsschicht codiert sind. Hauptschwerpunkte bei der Herstellung von MTJ-Speichervorrichtungen sind Ausbeute und Zuverlässigkeit.
  • Figurenliste
  • Aspekte der vorliegenden Erfindung lassen sich am besten anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verstehen. Es ist zu beachten, dass gemäß der branchenüblichen Praxis verschiedene Merkmale nicht maßstabsgetreu dargestellt sind. Vielmehr können die Abmessungen der verschiedenen Merkmale zugunsten einer klaren Erläuterung willkürlich vergrößert oder verkleinert sein.
    • 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer beispielhaften Struktur nach der Herstellung eines CMOS-Transistors (CMOS: komplementärer Metalloxidhalbleiter), von metallischen Interconnect-Strukturen, die in dielektrische Materialschichten eingebettet sind, und einer dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 2 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach der Herstellung einer Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 3 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach der Herstellung einer Untere-Elektrode-Materialschicht, eines Speichermaterialschichtstapels und einer Obere-Elektrode-Materialschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 4 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Strukturieren der Obere-Elektrode-Materialschicht zu oberen Elektroden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 5 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess, bei dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Matrix von Speicherelementen erzeugt wird.
    • Die 6A bis 6E zeigen aufeinanderfolgende vertikale Schnittansichten einer Speicherzelle während einer ersten beispielhaften Sequenz von Strukturierungsprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 7 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Strukturierungsprozess von 6E gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 8 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Erzeugen einer Matrix von dielektrischen Abstandshaltern gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 9 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer dielektrischen Speicherebene-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 10 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von integrierten Leitungs- und Durchkontaktierungsöffnungen durch die dielektrische Speicherebene-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 11 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • Die 12A bis 12E zeigen aufeinanderfolgende vertikale Schnittansichten einer Speicherzelle während einer zweiten beispielhaften Sequenz von Strukturierungsprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13A ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 13B ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach dem Entfernen eines überwiegenden Teils einer restlichen Nebenproduktschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 14A ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 14B ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
    • 15 ist ein erstes Ablaufdiagramm, das eine erste Sequenz von Bearbeitungsschritten zum Herstellen einer MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
    • 16 ist ein zweites Ablaufdiagramm, das eine zweite Sequenz von Bearbeitungsschritten zum Herstellen einer MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Die nachstehende Beschreibung liefert viele verschiedene Ausführungsformen oder Beispiele zum Implementieren verschiedener Merkmale des bereitgestellten Gegenstands. Nachstehend werden spezielle Beispiele für Komponenten und Anordnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung zu vereinfachen. Diese sind natürlich lediglich Beispiele und sollen nicht beschränkend sein. Zum Beispiel kann die Herstellung eines ersten Elements über oder auf einem zweiten Element in der nachstehenden Beschreibung Ausführungsformen umfassen, bei denen das erste und das zweite Element in direktem Kontakt hergestellt werden, und sie kann auch Ausführungsformen umfassen, bei denen zusätzliche Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element hergestellt werden können, sodass das erste und das zweite Element nicht in direktem Kontakt sind. Darüber hinaus können in der vorliegenden Erfindung Bezugszahlen und/oder -buchstaben in den verschiedenen Beispielen wiederholt werden. Diese Wiederholung dient der Einfachheit und Übersichtlichkeit und schreibt an sich keine Beziehung zwischen den verschiedenen erörterten Ausführungsformen und/oder Konfigurationen vor.
  • Darüber hinaus können hier räumlich relative Begriffe, wie etwa „darunter befindlich“, „unter“, „untere(r)“/„unteres“, „darüber befindlich“, „obere(r)“/„oberes“ und dergleichen, zur einfachen Beschreibung der Beziehung eines Elements oder einer Struktur zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Strukturen verwendet werden, die in den Figuren dargestellt sind. Die räumlich relativen Begriffe sollen zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Orientierung andere Orientierungen der in Gebrauch oder in Betrieb befindlichen Vorrichtung umfassen. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet werden (um 90 Grad gedreht oder in einer anderen Orientierung), und die räumlich relativen Deskriptoren, die hier verwendet werden, können entsprechend interpretiert werden.
  • Im Allgemeinen können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer Speicherzelle und/oder einer Matrix von Speicherzellen verwendet werden. Insbesondere können die Strukturen und Verfahren der vorliegenden Erfindung zum Herstellen einer MTJ-Speicherzelle und/oder einer Matrix von MTJ-Speicherzellen verwendet werden.
  • Durch eine MTJ-Strukturierung mit einem magnetisierten, induktiv gekoppelten Plasma (MICP) können Ionen C, H, O in Magnetschichten eindringen und eine Defektschicht oder beschädigte Schicht bilden, was zu einer Verschlechterung des magnetischen Tunnelwiderstands (TMR) oder der Koerzitivfeldstärke (Hc) führt. Um die Bildung einer Defektschicht zu verhindern, kann für die MTJ-Strukturierung eine Ionenstrahlätzung (IBE) verwendet werden.
  • Eine MTJ-Struktur, die durch Ionenstrahlätzung erzeugt wird, kann zahlreiche Struktur- und elektrische Fehler als Kollateralschaden der Verwendung eines energiereichen Ionenstrahls haben. Zum Beispiel können verschiedene Komponenten in einem MTJ durch Metallteilchen, die Nebenprodukte des Ionenstrahl-Ätzprozesses sind, elektrisch miteinander kurzgeschlossen werden. Das Auftreten solcher elektrischer Kurzschlüsse kann mit Messungen der Bitfehlerrate bewiesen werden, die die Fehlerrate von Speicherbits angibt, die physische magnetische Tunnelkontakte aufweisen. Bitfehlerraten in der Größenordnung von etwa 100 ppm sind bei der Herstellung von MTJ-Vorrichtungen nicht ungewöhnlich. Die vorliegende Erfindung geht das Problem der elektrischen Kurzschlüsse und anderer ungünstiger elektrischer Eigenschaften an, die in MTJ-Strukturen durch Verwenden eines Oxidationsprozesses entstehen, der eine Restmetallschicht auf einer Seitenwand einer MTJ-Struktur in eine dielektrische Metalloxidschicht umwandelt, die elektrisch inaktiv wird, wodurch elektrische Kurzschlusspfade aus der Seitenwand der MTJ-Struktur entfernt werden. Die verschiedenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • 1 ist eine vertikale Schnittansicht einer beispielhaften Struktur nach der Herstellung eines CMOS-Transistors, von metallischen Interconnect-Strukturen, die in dielektrische Materialschichten eingebettet sind, und einer dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die beispielhafte Struktur weist CMOS-Transistoren und metallische Interconnect-Strukturen auf, die in dielektrischen Materialschichten hergestellt sind. Insbesondere weist die beispielhafte Struktur ein Substrat 9 auf, das ein Halbleitersubstrat, wie etwa ein handelsüblicher Siliziumwafer, sein kann. In einem oberen Teil des Substrats 9 können STI-Strukturen 720 (STI: flache Grabenisolation) hergestellt werden, die ein dielektrisches Material wie Siliziumoxid aufweisen. In jedem Bereich, der seitlich von einem Teil der STI-Strukturen 720 umschlossen sein kann, können geeignete dotierte Halbleiterwannen, wie etwa p- und n-Wannen, erzeugt werden. Über einer Oberseite des Substrats 9 können Feldeffekttransistoren hergestellt werden. Jeder Feldeffekttransistor kann zum Beispiel Folgendes aufweisen: einen Sourcebereich 732; einen Drainbereich 738; einen Halbleiterkanal 735, der einen Oberflächenteil des Substrats 9 aufweist, der sich zwischen dem Sourcebereich 732 und dem Drainbereich 738 erstreckt; und eine Gatestruktur 750. Jede Gatestruktur 750 kann ein Gatedielektrikum 752, eine Gateelektrode 754, ein Verkappungs-Gatedielektrikum 758 und einen dielektrischen Gate-Abstandshalter 756 aufweisen. Auf jedem Sourcebereich 732 kann ein Source-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 742 hergestellt werden, und auf jedem Drainbereich 738 kann ein Drain-seitiger Metall-Halbleiter-Legierungsbereich 748 hergestellt werden. In den Zeichnungen sind zwar planare Feldeffekttransistoren dargestellt, aber es werden hier ausdrücklich auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen die Feldeffekttransistoren zusätzlich oder alternativ Finnen-Feldeffekttransistoren (FinFETs), Gate-all-around-Feldeffekttransistoren (GAA-FET-Transistoren) oder andere Arten von Feldeffekttransistoren (FETs) aufweisen können.
  • Die beispielhafte Struktur kann einen Speichermatrixbereich 100, in dem später eine Matrix von Speicherelementen hergestellt werden kann, und einen peripheren Bereich 200 aufweisen, in dem Logikvorrichtungen hergestellt werden können, die den Betrieb der Matrix von Speicherelementen unterstützen. Bei einer Ausführungsform können Vorrichtungen (wie etwa Feldeffekttransistoren) in dem Speichermatrixbereich 100 Untere-Elektrode-Zugriffstransistoren umfassen, die einen Zugriff auf untere Elektroden von später herzustellenden Speicherzellen ermöglichen. In diesem Bearbeitungsschritt können auch Obere-Elektroden-Zugriffstransistoren, die einen Zugriff auf obere Elektroden von später herzustellenden Speicherzellen ermöglichen, in dem peripheren Bereich 200 hergestellt werden. Vorrichtungen (wie etwa Feldeffekttransistoren) in dem peripheren Bereich 200 können Funktionen bieten, die zum Betreiben der später zu erzeugenden Matrix von Speicherzellen benötigt werden können. Insbesondere können Vorrichtungen in dem peripheren Bereich 200 so konfiguriert sein, dass sie eine Programmieroperation, eine Löschoperation und eine Abtast-/Leseoperation der Matrix von Speicherzellen steuern. Die Vorrichtungen in dem peripheren Bereich 200 können eine Sensorschaltung und/oder eine Obere-Elektrode-Vorspannungsschaltung aufweisen. Die auf der Oberseite des Substrats 9 hergestellten Vorrichtungen können CMOS-Transistoren und optional weitere Halbleitervorrichtungen (wie etwa Widerstände, Dioden, Kondensatoren usw.) umfassen, und sie werden kollektiv als eine CMOS-Schaltung 700 bezeichnet.
  • Anschließend können verschiedene metallische Interconnect-Strukturen, die in dielektrische Materialschichten eingebettet werden, über dem Substrat 9 und den Vorrichtungen (wie etwa Feldeffekttransistoren) hergestellt werden. Die dielektrischen Materialschichten können zum Beispiel eine dielektrische Kontaktebene-Materialschicht 601, eine erste dielektrische Metallleitungsebene-Materialschicht 610, eine zweite dielektrische Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 620, eine dritte dielektrische Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 630 und eine vierte dielektrische Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 640 umfassen. Die metallischen Interconnect-Strukturen können Folgendes aufweisen: Vorrichtungskontakt-Durchkontaktierungsstrukturen 612, die in der dielektrische Kontaktebene-Materialschicht 601 hergestellt sind und eine jeweilige Komponente der CMOS-Schaltung 700 kontaktieren; erste Metallleitungsstrukturen 618, die in der ersten dielektrischen Metallleitungsebene-Materialschicht 610 hergestellt sind; erste Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622, die in einem unteren Teil der zweiten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 620 hergestellt sind; zweite Metallleitungsstrukturen 628, die in einem oberen Teil der zweiten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 620 hergestellt sind; zweite Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632, die in einem unteren Teil der dritten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 630 hergestellt sind; dritte Metallleitungsstrukturen 638, die in einem oberen Teil der dritten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 630 hergestellt sind; dritte Metalldurchkontaktierungsstrukturen 642, die in einem unteren Teil der vierten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 640 hergestellt sind; und vierte Metallleitungsstrukturen 648, die in einem oberen Teil der vierten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 640 hergestellt sind. Bei einer Ausführungsform können die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 Sourceleitungen aufweisen, die mit einer Source-seitigen Stromquelle für eine Matrix von Speicherelementen verbunden sind. Die von den Sourceleitungen bereitgestellte Spannung kann über die Zugriffstransistoren, die in dem Speichermatrixbereich 100 vorgesehen sind, an die unteren Elektroden angelegt werden.
  • Die dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630, 640) können jeweils ein dielektrisches Material wie undotiertes Silicatglas, dotiertes Silicatglas, Organosilicatglas, amorphen Fluorkohlenstoff, poröse Varianten davon oder Kombinationen davon aufweisen. Die metallischen Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) können jeweils mindestens ein leitfähiges Material aufweisen, das eine Kombination aus einer metallischen Belagschicht (wie etwa einem Metallnitrid oder einem Metallcarbid) und einem metallischen Füllmaterial sein kann. Jede metallische Belagschicht kann TiN, TaN, WN, TiC, TaC und WC aufweisen, und jeder magnetische Füllmaterialteil kann W, Cu, Al, Co, Ru, Mo, Ta, Ti, Legierungen davon und/oder Kombinationen davon aufweisen. Es können auch andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung verwendet werden. Bei einer Ausführungsform können die ersten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 622 und die zweiten Metallleitungsstrukturen 628 als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen mit einem Dual-Damascene-Prozess hergestellt werden, die zweiten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 632 und die dritten Metallleitungsstrukturen 638 können als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen hergestellt werden, und/oder die dritten Metalldurchkontaktierungsstrukturen 642 und die vierten Metallleitungsstrukturen 648 können als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen hergestellt werden. Die vorliegende Erfindung wird zwar anhand einer Ausführungsform beschrieben, bei der eine Matrix von Speicherzellen über der vierten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 640 erzeugt wird, aber es werden hier ausdrücklich auch Ausführungsformen in Betracht gezogen, bei denen die Matrix von Speicherzellen auf einer anderen metallischen Interconnect-Ebene erzeugt werden kann.
  • Die dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630, 640) können auf einer Ebene angeordnet werden, die niedriger als die einer später zu erzeugenden Matrix von Speicherzellen ist. Daher werden die dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630, 640) hier als dielektrische Niedrigere-Ebene-Schichten bezeichnet, d. h., dielektrische Materialschichten, die auf einer niedrigeren Ebene als die später zu erzeugende Matrix von Speicherzellen angeordnet sind. Die metallischen Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) werden hier als metallische Niedrigere-Ebene-Interconnect-Strukturen bezeichnet. Eine Teilmenge der metallischen Interconnect-Strukturen (612, 618, 622, 628, 632, 638, 642, 648) umfasst Niedrigere-Ebene-Metallleitungen (wie etwa die vierten Metallleitungsstrukturen 648), die in die dielektrischen Niedrigere-Ebene-Schichten eingebettet sind und Oberseiten in einer horizontalen Ebene haben, die eine oberste Fläche der dielektrischen Niedrigere-Ebene-Schichten enthält. Im Allgemeinen kann die Gesamtanzahl von Metallleitungsebenen in den dielektrischen Niedrigere-Ebene-Schichten (601, 610, 620, 630, 640) 1 bis 10 betragen.
  • Über den metallischen Interconnect-Strukturen und den dielektrischen Materialschichten können nacheinander eine dielektrische Verkappungsschicht 108 und eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 hergestellt werden. Die dielektrische Verkappungsschicht 108 kann zum Beispiel auf Oberseiten der vierten Metallleitungsstrukturen 648 und auf einer Oberseite der vierten dielektrischen Leitungs- und Durchkontaktierungsebene-Materialschicht 640 hergestellt werden. Die dielektrische Verkappungsschicht 108 weist ein dielektrisches Verkapselungsmaterial auf, das tieferliegende metallische Interconnect-Strukturen, wie etwa die vierten Metallleitungsstrukturen 648, schützt. Bei einer Ausführungsform kann die dielektrische Verkappungsschicht 108 ein Material aufweisen, das einen hohen Ätzwiderstand bieten kann, d. h., ein dielektrisches Material, und das außerdem als ein Ätzstoppmaterial während eines späteren anisotropen Ätzprozesses fungieren kann, bei dem die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 geätzt wird. Die dielektrische Verkappungsschicht 108 kann zum Beispiel Siliziumcarbid oder Siliziumnitrid aufweisen und kann eine Dicke von 5 nm bis 30 nm haben, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 kann ein Material aufweisen, das für die dielektrischen Materialschichten (601, 610, 620, 630, 640) verwendet werden kann. Die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 kann zum Beispiel undotiertes Silicatglas oder ein dotiertes Silicatglas aufweisen, das durch Spaltung von Tetraethylorthosilicat (TEOS) abgeschieden werden kann. Die Dicke der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 kann 50 nm bis 200 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Die dielektrische Verkappungsschicht 108 und die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 können als planare (unstrukturierte) Schutzschichten hergestellt werden, die eine jeweilige planare Oberseite und eine jeweilige planare Unterseite haben, die sich über den gesamten Speichermatrixbereich 100 und den peripheren Bereich 200 hinweg erstrecken.
  • 2 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach der Herstellung einer Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Durch die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 und die dielektrische Verkappungsschicht 108 der beispielhaften Struktur können Durchkontaktierungsöffnungen erzeugt werden. Zum Beispiel kann über der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 eine Fotoresistschicht (nicht dargestellt) aufgebracht werden, die so strukturiert werden kann, dass eine Öffnung in Bereichen des Speichermatrixbereichs 100 entsteht, die sich über einer jeweiligen der vierten Metallleitungsstrukturen 648 befinden. Die Struktur in der Fotoresistschicht kann mit einer anisotropen Ätzung auf die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 und die dielektrische Verkappungsschicht 108 übertragen werden. Die Durchkontaktierungsöffnungen, die mit dem anisotropen Ätzprozess erzeugt werden, werden hier als Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffnungen bezeichnet, da in den Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffnungen später Untere-Elektrode-Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen hergestellt werden. Die Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffnungen können konische oder schräg verlaufende Seitenwände haben, die einen Konuswinkel (in Bezug auf eine vertikale Richtung) von 1° bis 10° haben. Eine Oberseite einer vierten Metallleitungsstruktur 648 kann an einer Unterseite jeder Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffhung physisch freiliegen. Anschließend kann die Fotoresistschicht zum Beispiel durch Ablösung entfernt werden.
  • Anschließend kann eine metallische Sperrschicht als eine Materialschicht hergestellt werden. Die metallische Sperrschicht kann physisch freiliegende Oberseiten der vierten Metallleitungsstrukturen 648, die konischen Seitenwände der Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffnungen und die Oberseite der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 bedecken, ohne dass sich durch diese ein Loch erstreckt. Die metallische Sperrschicht kann ein leitfähiges Metallnitrid wie TiN, TaN und/oder WN aufweisen. Es können auch andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Die Dicke der metallischen Sperrschicht kann 3 nm bis 20 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • In den restlichen Volumina der Untere-Elektrode-Kontaktdurchkontaktierungsöffnungen kann ein metallisches Füllmaterial wie Wolfram oder Kupfer abgeschieden werden. Teile des metallischen Füllmaterials und der metallischen Sperrschicht, die sich über der horizontalen Ebene befinden, die die oberste Fläche der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 enthält, können mit einem Planarisierungsprozess, wie etwa einer chemisch-mechanischen Planarisierung (CMP), entfernt werden. Jeder verbliebene Teil des metallischen Füllmaterials, der sich in einer jeweiligen Durchkontaktierungsöffnung befindet, weist einen metallischen Durchkontaktierungsfüllmaterialteil 124 auf. Jeder verbliebene Teil der metallischen Sperrschicht in einer jeweiligen Durchkontaktierungsöffnung weist eine metallische Sperrschicht 122 auf. Jede Kombination aus einer metallischen Sperrschicht 122 und einem metallischen Durchkontaktierungsfüllmaterialteil 124, der eine Durchkontaktierungsöffnung füllt, bildet eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122,124). Eine Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann in der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 auf tieferliegenden metallischen Interconnect-Strukturen erstreckt werden. Die Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann Oberseiten einer Teilmenge der vierten Metallleitungsstrukturen 648 kontaktieren. Im Allgemeinen kontaktiert die Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) Oberseiten einer Teilmenge von Niedrigere-Ebene-Metallleitungen, die auf der obersten Ebene der dielektrischen Niedrigere-Ebene-Schichten (601, 610, 620, 630, 640) angeordnet sind.
  • 3 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach der Herstellung einer Unteren-Elektrode-Materialschicht, eines Speichermaterialschichtstapels und einer Obere-Elektrode-Materialschicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Über der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 können eine Untere-Elektrode-Materialschicht 126L, ein Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) und eine Obere-Elektrode-Materialschicht 158L hergestellt werden, und die Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann in den Bearbeitungsschritten von 3 erzeugt werden.
  • Die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L weist mindestens ein nichtmagnetisches metallisches Material auf, wie etwa TiN, TaN, WN, W, Cu, Al, Ti, Ta, Ru, Mo, Pt, eine Legierung davon und/oder eine Kombination davon. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L ein elementares Metall wie W, Cu, Ti, Ta, Ru, Mo oder Pt aufweisen und/oder im Wesentlichen daraus bestehen. Eine Dicke der Untere-Elektrode-Materialschicht 126L kann 10 nm bis 100 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Bei einer Ausführungsform kann der Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) von unten nach oben eine optionale nichtmagnetische metallische Puffermaterialschicht 130L, eine synthetische antiferromagnetische Schicht 140L, eine nichtmagnetische Tunnelsperrmaterialschicht 146L und eine freie Magnetisierungsmaterialschicht 148L aufweisen. Die Schichten in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) können mit einem jeweiligen CVD-Prozess (CVD: chemische Aufdampfung) oder einem jeweiligen PVD-Prozess (PVD: physikalische Aufdampfung) abgeschieden werden. Jede Schicht in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) kann als eine planare Schutzmaterialschicht mit einer jeweiligen durchgehend einheitlichen Dicke abgeschieden werden. Im Allgemeinen wird der Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) zwischen der Untere-Elektrode-Materialschicht 126L und der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L hergestellt.
  • Die nichtmagnetische metallische Puffermaterialschicht 130L weist ein nichtmagnetisches Material auf, das als eine Seedschicht fungieren kann. Insbesondere kann die nichtmagnetische metallische Puffermaterialschicht 130L eine kristalline Schablonenstruktur bereitstellen, die polykristalline Körner der Materialien der synthetischen antiferromagnetischen Schicht 140L entlang Richtungen ausrichtet, die die Magnetisierung einer Referenzmagnetisierungsschicht in der synthetischen antiferromagnetischen Schicht 140L maximieren. Die nichtmagnetische metallische Puffermaterialschicht 130L kann Ti, eine CoFeB-Legierung, eine NiFe-Legierung, Ruthenium oder eine Kombination davon aufweisen. Andere geeignete Materialien liegen ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung. Eine Dicke der nichtmagnetischen metallischen Puffermaterialschicht 130L kann 3 nm bis 30 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die synthetische antiferromagnetische Schicht (SAF-Schicht) 140L kann einen Schichtstapel aus einer ferromagnetischen Hartschicht 141, einer Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 und einer Referenzmagnetisierungsschicht 143 aufweisen. Die ferromagnetische Hartschicht 141 und die Referenzmagnetisierungsschicht 143 können jeweils eine feste Magnetisierungsrichtung haben. Die Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 stellt eine antiferromagnetische Kopplung zwischen der Magnetisierung der ferromagnetischen Hartschicht 141 und der Magnetisierung der Referenzmagnetisierungsschicht 143 her, sodass die Magnetisierungsrichtung der ferromagnetischen Hartschicht 141 und die Magnetisierungsrichtung der Referenzmagnetisierungsschicht 143 während des Betriebs der später herzustellenden Speicherzellen feststehend bleiben. Die ferromagnetische Hartschicht 141 kann ein hartes ferromagnetisches Material aufweisen, wie etwa PtMn, IrMn, RhMn, FeMn, OsMn oder dergleichen. Die Referenzmagnetisierungsschicht 143 kann ein hartes ferromagnetisches Material wie Co, CoFe, CoFeB, CoFeTa, NiFe, CoPt, CoFeNi oder dergleichen aufweisen. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung können ebenfalls verwendet werden. Die Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 kann Ruthenium oder Iridium aufweisen. Eine Dicke der Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 kann so gewählt werden, dass die Austauschwechselwirkung, die von der Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 induziert wird, die relativen Magnetisierungsrichtungen der ferromagnetischen Hartschicht 141 und der Referenzmagnetisierungsschicht 143 in entgegengesetzten Richtungen, d. h., in einer antiparallelen Ausrichtung, stabilisiert. Bei einer Ausführungsform erfolgt eine Netto-Magnetisierung der SAF-Schicht 140L durch Angleichen der Größe der Magnetisierung der ferromagnetischen Hartschicht 141 an die Größe der Magnetisierung der Referenzmagnetisierungsschicht 143. Eine Dicke der SAF-Schicht 140L kann 5 nm bis 30 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die nichtmagnetische Tunnelsperrmaterialschicht 146L kann ein Tunnelsperrmaterial aufweisen, das ein elektrisch isolierendes Material mit einer Dicke sein kann, die eine Elektronentunnelung ermöglicht. Die nichtmagnetische Tunnelsperrmaterialschicht 146L kann zum Beispiel Magnesiumoxid (MgO), Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN), Aluminiumoxidnitrid (AlON), Hafniumoxid (HfO2) oder Zirconiumoxid (ZrO2) aufweisen. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung können ebenfalls verwendet werden. Eine Dicke der nichtmagnetischen Tunnelsperrmaterialschicht 146L kann 0,7 nm bis 1,3 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die freie Magnetisierungsmaterialschicht 148L weist ein ferromagnetisches Material mit zwei stabilen Magnetisierungsrichtungen auf, die parallel oder antiparallel zu der Magnetisierungsrichtung der Referenzmagnetisierungsschicht 143 sind. Die freie Magnetisierungsmaterialschicht 148L weist ein hartes ferromagnetisches Material wie Co, CoFe, CoFeB, CoFeTa, NiFe, CoPt, CoFeNi oder dergleichen auf. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung können ebenfalls verwendet werden. Eine Dicke der freien Magnetisierungsmaterialschicht 148L kann 1 nm bis 6 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • Die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L weist ein Obere-Elektrode-Material auf, das ein nichtmagnetisches Material sein kann, das für die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L verwendet werden kann. Somit weist die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L ein nichtmagnetisches metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält. Beispielhafte nichtmagnetische metallische Materialien, die für die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L verwendet werden können, sind unter anderem TiN, TaN, WN, W, Cu, Al, Ti, Ta, Ru, Mo, Pt, Legierungen davon und/oder Kombinationen davon. Andere geeignete Materialien innerhalb des beabsichtigten Schutzumfangs der Erfindung können ebenfalls verwendet werden. Zum Beispiel kann die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L ein elementares Metall wie W, Cu, Ti, Ta, Ru, Mo oder Pt aufweisen und/oder im Wesentlichen daraus bestehen. Eine Dicke der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L kann 8 nm bis 80 nm, z. B. 16 nm bis 40 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L eine durchgehend homogene Materialzusammensetzung haben.
  • Die Materialschichten, die nacheinander zu MTJ-Strukturen strukturiert werden, werden kollektiv als MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) bezeichnet, und sie umfassen die Referenzmagnetisierungsschicht 143, die nichtmagnetische Tunnelsperrmaterialschicht 146L und die freie Magnetisierungsmaterialschicht 148L. Im Allgemeinen kann ein Schichtstapel mit zumindest einer Untere-Elektrode-Materialschicht 126L, MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) und einer Obere-Elektrode-Materialschicht 158L über dem Substrat 9 hergestellt werden. Die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L weist ein metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält.
  • 4 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Strukturieren der Obere-Elektrode-Materialschicht zu oberen Elektroden gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Über der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L kann eine Fotoresistschicht 177 aufgebracht werden, die lithografisch zu einer Matrix von diskreten Fotoresistmaterialteilen in dem Speichermatrixbereich 100 strukturiert werden kann. Jeder strukturierte Teil der Fotoresistschicht 177 kann über einer jeweiligen der Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) angeordnet sein. Seitenwände jedes strukturierten Teils der Fotoresistschicht 177 können mit einer Peripherie einer Oberseite einer tieferliegenden Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122,124) zusammenfallen oder seitlich nach außen oder seitlich nach innen von dieser versetzt sein. Die Seitenwände jedes strukturierten Teils der Fotoresistschicht 177 können in einem horizontalen Querschnitt die Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Rechtecks oder eines abgerundeten Rechtecks oder eine im Großen und Ganzen gekrümmte geschlossene zweidimensionale Form haben.
  • Unmaskierte Teile der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L können mit einem anisotropen Ätzprozess geätzt werden. Bei einer Ausführungsform kann die oberste Schicht des Speichermaterialschichtstapels (130L, 140L, 146L, 148L) als eine Ätzstoppschicht verwendet werden. Jeder strukturierte Teil der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L weist eine obere Elektrode 158 auf. Mit dem anisotropen Ätzprozess kann eine zweidimensionale Matrix von oberen Elektroden 158 erzeugt werden. Jede obere Elektrode 158 kann ein strukturierter Teil der Obere-Elektrode-Materialschicht 158L sein. Bei einer Ausführungsform können die oberen Elektroden 158 ein leitfähiges metallisches Nitridmaterial (wie etwa TiN, TaN oder WN) aufweisen und/oder im Wesentlichen daraus bestehen.
  • Im Allgemeinen kann die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L zu einer Hartmaskenstruktur strukturiert werden, die mindestens eine obere Elektrode 158, wie etwa eine zweidimensionale Matrix von oberen Elektroden 158, aufweist. Bei einer Ausführungsform kann die zweidimensionale Matrix von oberen Elektroden 158 als eine zweidimensionale periodische Matrix erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform kann die zweidimensionale Matrix von oberen Elektroden 158 als eine rechteckige periodische Matrix mit einem ersten Rasterabstand entlang einer ersten horizontalen Richtung und einem zweiten Rasterabstand entlang einer zweiten horizontalen Richtung, die senkrecht zu der ersten horizontalen Richtung ist, erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform können die oberen Elektroden 158 im Wesentlichen vertikale oder konische Seitenwände aufweisen, die sich vertikal von einer Unterseite bis zu einer Oberseite einer jeweiligen oberen Elektrode 158 erstrecken. Bei einer Ausführungsform kann der Konuswinkel der Seitenwände der oberen Elektroden 158, der von einer vertikalen Richtung, die senkrecht zu Grenzflächen zwischen den oberen Elektroden 158 und den MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) ist, gemessen wird, 0° bis 8°, z. B. 0,1° bis 4°, betragen, aber es können auch größere Konuswinkel verwendet werden. Nach dem anisotropen Ätzprozess kann die Fotoresistschicht 177 entfernt werden.
  • 5 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess, bei dem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Matrix von Speicherelementen 101 erzeugt wird. 6A ist eine vergrößerte Darstellung eines Bereichs um ein Speicherelement 101 von 5. Die 6A bis 6E zeigen aufeinanderfolgende vertikale Schnittansichten einer Speicherzelle während einer ersten beispielhaften Sequenz von Strukturierungsprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In den 5 und 6A können der Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) und die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L mit einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess strukturiert werden. Die Matrix von oberen Elektroden 158 kann als eine Hartmaskenstruktur für den Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess verwendet werden. Für den Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess kann ein fokussierter Strahl von Ionen mit einer Energie von 300 eV bis 600 eV verwendet werden, aber es können auch niedrigere und höhere Ionenenergien verwendet werden. Die Ionenspezies, die für den Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess verwendet werden können, sind unter anderem Gallium, Silizium, Chrom, Eisen, Cobalt, Nickel, Germanium, Indium, Zinn, Gold und Blei. Bei einer Ausführungsform können für den Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess Ionen eines nichtmagnetischen Elements wie Gallium verwendet werden. Der fokussierte Ionenstrahl kann eine erste Winkeldivergenz in der Ausbreitungsrichtung haben, die zum Beispiel durch Rastern bewirkt werden kann. Die erste Winkeldivergenz des Strahlwinkels, die von einer vertikalen Richtung gemessen wird, die senkrecht zu den Unterseiten der oberen Elektroden 158 ist, kann 0° bis 30° betragen.
  • In dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess werden nacheinander unmaskierte Teile der verschiedenen Materialschichten des Speichermaterialschichtstapels (130L, 140L, 146L, 148L) und die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L geätzt. In dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess werden der Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L), der die MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) umfasst, und die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L zu einer strukturierten Struktur strukturiert, die mindestens eine Säulenstruktur 150 aufweist. Jede Säulenstruktur 150 weist eine untere Elektrode 126 und ein Speicherelement 101 auf. Jedes Speicherelement 101 weist eine MTJ-Struktur (141, 146, 148) auf. Bei einer Ausführungsform kann eine zweidimensionale Matrix von oberen Elektroden 158 als eine Ätzmaske in dem gesamten Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess verwendet werden. Bei dieser Ausführungsform können Teile des Speichermaterialschichtstapels (130L, 140L, 146L, 148L) und der Untere-Elektrode-Materialschicht 126L, die nicht von der zweidimensionalen Matrix von oberen Elektroden 158 maskiert sind, mit dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess geätzt werden. Die strukturierte Struktur kann eine zweidimensionale Matrix von Säulenstrukturen 150 umfassen.
  • Eine Kombination aus einer oberen Elektrode 158 und einer Säulenstruktur 150 bildet eine Speicherzelle (158, 150). Somit weist jede Speicherzelle (158,150) einen vertikalen Stapel mit einer oberen Elektrode 158, einem Speicherelement 101 und einer unteren Elektrode 126 auf. Bei einer Ausführungsform kann jede Speicherzelle (158, 150) eine MTJ-Speicherzelle sein. Jede MTJ-Speicherzelle kann eine untere Elektrode 126, eine MTJ-Struktur (140, 146, 148) und eine obere Elektrode 158 aufweisen. Jedes Speicherelement 101 weist einen vertikalen Stapel mit einer synthetischen antiferromagnetischen Struktur 140, einer Tunnelsperrschicht 146 und einer freien Magnetisierungsschicht 148 auf. Jedes Speicherelement 101 kann eine optionale nichtmagnetische metallische Pufferschicht und eine MTJ-Struktur (140, 146, 148) aufweisen.
  • Jede MTJ-Struktur (143, 146, 148) kann eine Referenzmagnetisierungsschicht 143 (die eine Komponente einer SAF-Struktur 140 sein kann), eine Tunnelsperrschicht 146 und eine freie Magnetisierungsschicht 148 aufweisen. Im Allgemeinen können die ferromagnetische Hartschicht 141 und die Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 in einer SAF-Struktur weggelassen werden, oder sie können durch eine andere magnetische Struktur ersetzt werden, die die Magnetisierungsrichtung in der Referenzmagnetisierungsschicht 143 stabilisiert. Zwischen der unteren Elektrode 126 und der MTJ-Struktur (143, 146, 148) kann eine nichtmagnetische metallische Pufferschicht 130 vorgesehen werden. Jede untere Elektrode 126 ist ein strukturierter Teil der Untere-Elektrode-Materialschicht 126L. Jede SAF-Struktur 140 kann ein strukturierter Teil der SAF-Schicht 140L sein. Jede Tunnelsperrschicht 146 kann ein strukturierter Teil der nichtmagnetischen Tunnelsperrmaterialschicht 146L sein. Jede freie Magnetisierungsschicht 148 kann ein strukturierter Teil der freien Magnetisierungsmaterialschicht 148L sein. Die synthetische antiferromagnetische Struktur 140 kann einen Schichtstapel aus einer ferromagnetischen Hartschicht 141, einer Antiferromagnetische-Kopplung-Schicht 142 und einer Referenzmagnetisierungsschicht 143 aufweisen. Im Allgemeinen kann bei Ausführungsformen, bei denen jedes Speicherelement 101 ein MTJ-Speicherelement aufweist, jedes Speicherelement 101 eine Referenzmagnetisierungsschicht 143, eine Tunnelsperrschicht 146 in Kontakt mit der Referenzmagnetisierungsschicht 143 und eine freie Magnetisierungsschicht 148 in Kontakt mit der Tunnelsperrschicht 146 aufweisen. Im Allgemeinen weist jede Referenzmagnetisierungsschicht 143 ein erstes ferromagnetisches Material auf, und die freie Magnetisierungsschicht 148 weist ein zweites ferromagnetisches Material auf, das das Gleiche wie das erste ferromagnetische Material sein kann oder von diesem verschieden sein kann.
  • Die Säulenstrukturen 150 können konische Säulenstrukturen mit einer jeweiligen konischen Seitenwand sein. Die konischen Säulenstrukturen können Seitenwände mit einem von null verschiedenen mittleren Konuswinkel aufweisen, d. h., eine nicht-vertikale Fläche. Ein „mittlerer“ Winkel bezeichnet einen Winkel, der über alle relevanten Flächen hinweg gemessen wird. Somit kann ein mittlerer Winkel einer konischen Fläche mit unterschiedlichen lokalen Konuswinkeln durch Mitteln der lokalen Konuswinkel errechnet werden. Der mittlere Konuswinkel der Säulenstrukturen 150 kann von Schicht zu Schicht verschieden sein und kann im Allgemeinen 2° bis 12°, z. B. 30 bis 10°, betragen, aber es können auch kleinere und größere mittlere Konuswinkel verwendet werden. Im Allgemeinen kann der mittlere Konuswinkel von Seitenwänden von unteren Teilen der oberen Elektroden 158 gleich dem mittleren Konuswinkel der Säulenstrukturen 150 sein, oder er kann auf dieser Bearbeitungsstufe kleiner als der mittlere Konuswinkel der Säulenstrukturen 150 sein.
  • Unmaskierte Teile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 können mit dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess vertikal ausgespart werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann statt des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses ein Ionenätzprozess verwendet werden. Die Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) kann unter der Matrix von Speicherzellen (158, 150) angeordnet sein und kann eine Unterseite einer jeweiligen der unteren Elektroden 126 kontaktieren. Mit diesem Ionenstrahl-Ätzprozess wird eine flache Aussparung in der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 zwischen den Säulenstrukturen 150 erzeugt. Dieses Merkmal bietet den Vorteil, dass ein konisches Hartmaskenprofil und eine geringe Aussparungstiefe bereitgestellt werden, und zum Reinigen und/oder Oxidieren von Metallionen wird ein magnetisiertes induktiv gekoppeltes Plasma (MCP) verwendet. Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt eine Tiefe der flachen Aussparung nicht mehr als 300 Ä und ist somit flacher als eine herkömmliche Aussparung.
  • Die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 ist unter der Matrix von Säulenstrukturen 150 angeordnet. Teile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110, die nicht von der zweidimensionalen Matrix von Speicherzellen (158, 150) bedeckt sind, können vertikal unter der horizontalen Ebene ausgespart werden, die die Grenzflächen zwischen der Matrix von Verbindungsdurchkontaktierungsstrukturen (122, 124) und der Matrix von Speicherzellen (158, 150) enthält. Die übrigen Teile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 können eine ausgesparte horizontale Oberseite enthalten, die an untere Peripherien von konischen Seitenwänden von Teilen der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 angrenzt, die sich unter der Matrix von Speicherzellen (158, 150) befinden. Daher weist die Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 eine Matrix von Mesateilen auf, die von einem planaren Teil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 nach oben ragen. Die Matrix von Mesateilen der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 kontaktiert die Matrix von Säulenstrukturen 150. Bei einer Ausführungsform kann jeder Mesateil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 einen ringförmigen Teil einer Unterseite einer jeweiligen Säulenstruktur 150 kontaktieren. Jeder Mesateil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 kann eine konische Seitenwand haben, die an eine konische Seitenwand einer Säulenstruktur 150 angrenzt und hier als eine konische Säulenseitenwand bezeichnet wird.
  • Im Allgemeinen ist eine obere Elektrode 158 über einer MTJ-Struktur (143, 146, 148) in jeder Speicherzelle (158, 150) angeordnet. Die oberen Elektroden 158 weisen ein metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält. Eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122, 124) kann in jeden Mesateil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 eingebettet sein und kann einen mittleren Teil der Unterseite der Säulenstruktur 150 kontaktieren.
  • Im Allgemeinen entsteht in dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess eine Restmetallschicht 151 auf physisch freigelegten Seitenwänden der Säulenstruktur 150 und in oberen Teilen der konischen Seitenwände der Mesateile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110. Die Restmetallschicht 151 weist Metallteilchen auf, die während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses aus den oberen Elektroden 158, den metallischen Materialschichten in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) und der Untere-Elektrode-Materialschicht 126L herausgelöst werden. Obwohl ein überwiegender Teil der Metallteilchen, die während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses aus den oberen Elektroden 158 und den metallischen Materialschichten in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) herausgelöst werden, von den Seitenwänden der oberen Elektroden 158 und der Säulenstrukturen 150 entfernt wird, sind Streurichtungen der herausgelösten Metallteilchen statistisch zufällig. Ein Teil der herausgelösten Metallteilchen kann auf den physisch freigelegten Seitenwänden der oberen Elektroden 158 und der Säulenstrukturen 150 abgeschieden werden. Eine Dicke der Restmetallschicht 151 kann 0,2 nm bis 2 nm, z. B. 0,4 nm bis 1,2 nm, betragen, aber die Restmetallschicht 151 kann auch eine kleinere oder eine größere Dicke haben. Die Restmetallschicht 151 kann eine zusammenhängende Schicht ohne Öffnungen sein, oder sie kann diskrete Öffnungen haben, oder sie kann als diskrete Inseln hergestellt werden, die in Abhängigkeit von der Dicke nicht miteinander verbunden sind.
  • Außerdem kann eine Rest-Nebenproduktschicht 153, die eine Verbindung von Ionenstrahlspezies des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses aufweist, auf den Oberflächen der oberen Elektroden 158 und auf den Seitenwänden der Säulenstrukturen 150 entstehen. Wenn in dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess zum Beispiel ein Gallium-Ionenstrahl verwendet wird, kann die Rest-Nebenproduktschicht 153 Atome, Verbindungen und/oder Legierungen von Gallium aufweisen. Bei einer Ausführungsform kann die Rest-Nebenproduktschicht 153 Verbindungen und/oder Legierungen der Ionenstrahlspezies des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses mit Materialien von benachbarten Materialteilen in der Säulenstruktur 150 oder mit dem Material der oberen Elektrode 158 aufweisen. Die Rest-Nebenproduktschicht 153 kann mit der Restmetallschicht 151 verschachtelt sein oder auf dieser angeordnet sein. Eine Dicke der Rest-Nebenproduktschicht 153 kann 1 nm bis 4 nm, z. B. 2 nm bis 3 nm, betragen, aber in Abhängigkeit von der Energie, der Ionenstrahlspezies und des Einfalls der Ionen während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses sind auch kleinere und größere Dicken möglich. Im Allgemeinen werden Oberflächenteile der oberen Elektroden 158 während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses geätzt, und daher sind die oberen Elektroden 158 eine wichtige Quelle von metallischen Materialien für die Restmetallschicht 151. Folglich enthält die Restmetallschicht 151 auf einer Seitenwand jeder Säulenstruktur 150 das nichtmagnetische Metallelement der oberen Elektroden 158.
  • Bei einer Ausführungsform kann in dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess das Material der Tunnelsperrschicht 146 (das ein nichtmetallisches Material sein kann) mit einer höheren Ätzrate als die metallischen Materialien der metallischen Materialschichten in dem Speichermaterialschichtstapel (130L, 140L, 146L, 148L) geätzt werden. Bei dieser Ausführungsform kann in jeder Säulenstruktur 150 eine ringförmige seitliche Aussparung 147 erzeugt werden, die sich scheitelwinklig um die gesamte Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 erstreckt. Das vertikale Querschnittsprofil einer solchen ringförmigen seitlichen Aussparung 147 kann eine Form haben, die einer vertikalen Querschnittsform eines Vogelschnabels ähnlich ist und hier als ein Schnabelprofil bezeichnet wird. Bei dieser Ausführungsform kann jede Tunnelsperrschicht 146 ein Schnabelprofil in einer vertikalen Schnittansicht haben, wobei ein Teil einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 seitlich nach innen ausgespart ist, um die ringförmige seitliche Aussparung 147 bereitzustellen, die eine zusammenhängende seitliche Aussparung ist, die sich um die Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 erstreckt. Eine Tiefe der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 (die entlang einer radialen Richtung gemessen wird) kann 1 nm bis 4 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Tiefen verwendet werden. Eine Höhe der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 kann in der Größenordnung der Dicke der Tunnelsperrschicht 146 liegen.
  • In 6B und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein überwiegender Teil (d. h., mehr als 50 % des Volumens) der Rest-Nebenproduktschicht 153 durch Durchführen eines Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses entfernt werden. Der Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess ist zwar optional, wird aber bevorzugt. Während des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses treffen Ionen in einem fokussierten Ionenstrahl auf die Rest-Nebenproduktschicht 153 mit einem Winkel in Bezug auf eine vertikale Richtung auf, der größer als 30° ist. Die vertikale Richtung bezeichnet eine Richtung, die senkrecht zu den Grenzflächen zwischen den Säulenstrukturen 150 und den oberen Elektroden 158 ist.
  • Die Prozessparameter für einen fokussierten Ionenstrahl während des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses können so gewählt werden, dass der Anteil des Materials der Rest-Nebenproduktschicht 153 steigt. Zum Beispiel kann ein Einfallswinkel des Ionenstrahls (der als ein Ablenkungswinkel von der vertikalen Richtung gemessen wird) des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses 30° bis 90° betragen, und eine Energie der Ionen in dem Ionenstrahl des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses kann 50 eV bis 200 eV betragen, aber es können auch kleinere und größere Energien verwendet werden. Im Allgemeinen ist der Einfallswinkel des Ionenstrahls des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses größer als der Einfallswinkel des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses. Die Energie des Ionenstrahls des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses ist niedriger als die Energie des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses. Der Volumenanteil des Teils der Rest-Nebenproduktschicht 153, der während des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses entfernt wird, kann 0,5 bis 0,99, z. B. 0,6 bis 0,9, betragen, aber in Abhängigkeit von den Prozessparametern können auch kleinere und größere Volumenanteile verwendet werden. Im Allgemeinen verbleibt tendenziell der überwiegende Teil der Restmetallschicht 151 auf den Seitenwänden der Säulenstrukturen 150 und auf den Oberflächen der oberen Elektroden 158 sowie auf den Seitenwänden der Mesateile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110.
  • In 6C und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess durchgeführt werden. Der Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess ist zwar optional, wird aber bevorzugt. Ionen, die eine niedrigere Energie als die Ionenenergie während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses haben, werden auf die Säulenstrukturen 150 und die oberen Elektroden 158 gerichtet, wodurch die metallischen Materialien in den MTJ-Strukturen (143, 146, 148) mit einer höheren Ätzrate als das Material der Tunnelsperrschicht 146 entfernt werden. Mit anderen Worten, in dem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess werden das erste ferromagnetische Material der Referenzmagnetisierungsschicht 143 und das zweite ferromagnetische Material der freien Magnetisierungsschicht 148 mit einer höheren Ätzrate als das Material der Tunnelsperrschicht 146 entfernt.
  • Die Prozessparameter für einen fokussierten Ionenstrahl während des Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses können so gewählt werden, dass die Aussparungstiefe der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 jeder Säulenstruktur 150 reduziert wird. Zum Beispiel kann der Einfallswinkel des Ionenstrahls (der als ein Ablenkungswinkel von der vertikalen Richtung gemessen wird) des Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses o° bis 30° betragen, und die Energie der Ionen in dem Ionenstrahl des Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann 50 eV bis 200 eV betragen, aber es können auch kleinere und größere Energien verwendet werden. Im Allgemeinen kann der Einfallswinkel des Ionenstrahls des Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses gleich dem Einfallswinkel des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses sein, und die Energie des Ionenstrahls des Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses ist niedriger als die Energie des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses. Im Allgemeinen verbleibt tendenziell der überwiegende Teil der Restmetallschicht 151 auf den Seitenwänden der Säulenstrukturen 150 und auf den Oberflächen der oberen Elektroden 158 sowie auf den Seitenwänden der Mesateile der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110. Die Tiefe der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 kann um einen Prozentsatz von 5 % bis 50 %, z. B. 10 % bis 30 %, reduziert werden, aber es können auch niedrigere und höhere Prozentsätze verwendet werden.
  • In 6D und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess durchgeführt werden. Der Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess ist zwar optional, wird aber bevorzugt. Ein Ionenstrahl, der eine zweite Winkeldivergenz hat, kann auf die Säulenstruktur 150 und die oberen Elektroden 158 gerichtet werden. Die zweite Winkeldivergenz des Ionenstrahls des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann kleiner als die erste Winkeldivergenz des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses sein, der auf den Bearbeitungsstufen der 5 und 6A verwendet wird. Daher trifft im Vergleich zu dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess ein höherer Prozentsatz von Ionen auf die oberen Elektroden 158 als auf die Seitenwände der Säulenstrukturen 150 während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses auf. Die oberen Elektroden 158 werden so geätzt, dass eine Seitenwand entsteht, die einen größeren Konuswinkel in Bezug auf die vertikale Richtung hat.
  • Die Prozessparameter für einen fokussierten Ionenstrahl wird des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses können so gewählt werden, dass der mittlere Konuswinkel der Seitenwände der oberen Elektroden 158 zunimmt. Zum Beispiel kann der Einfallswinkel des Ionenstrahls (der als ein Ablenkungswinkel von der vertikalen Richtung gemessen wird) des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses 0° bis 20°, z. B. 0° bis 10°, betragen, und die Energie der Ionen in dem Ionenstrahl des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann 300 eV bis 600 eV betragen, aber es können auch niedrigere und höhere Energien verwendet werden. Im Allgemeinen kann der Einfallswinkel des Ionenstrahls des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses um mindestens 5° und/oder um 100 kleiner als der Einfallswinkel des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses sein, und die Energie des Ionenstrahls des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann ungefähr gleich der Energie des Ionenstrahls des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses sein.
  • Jede obere Elektrode 158 kann eine konische Seitenwand und eine konvexe Oberseite haben. Im Allgemeinen grenzt die konvexe Oberseite in einem Winkel an die konische Seitenwand an, sodass eine ringförmige Grenze zwischen der konvexen Oberseite und der konischen Seitenwand exakt definiert werden kann. Die konischen Seitenwände der oberen Elektroden 158 werden hier als konische Elektrodenseitenwände bezeichnet. Die konischen Seitenwände der Säulenstrukturen 150 werden hier als konische Säulenseitenwände bezeichnet. Der mittlere Konuswinkel der konischen Seitenwände der Säulenstrukturen 150 (d. h., der konischen Säulenseitenwände) wird hier als ein erster mittlerer Konuswinkel α bezeichnet. Der mittlere Konuswinkel der konischen Seitenwände der oberen Elektroden 158 (d. h., der konischen Elektrodenseitenwände) wird hier als ein zweiter mittlerer Konuswinkel β bezeichnet. Der erste mittlere Konuswinkel α ändert sich während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses nicht erheblich. Hingegen nimmt der zweite mittlere Konuswinkel β während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses um mindestens 0,5° zu. Normalerweise ist der zweite mittlere Konuswinkel β gleich dem ersten mittleren Konuswinkel α vor dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess. Die Zunahme des zweiten mittleren Konuswinkels β während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann 0,5° bis 20°, z. B. 30 bis 15°, betragen. Zum Beispiel kann der erste mittlere Konuswinkel α nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess 8° bis 32° betragen, und der zweite mittlere Konuswinkel β kann nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess 2° bis 12° betragen.
  • In jeder Speicherzelle (158, 150) weist eine obere Elektrode 158 über einer MTJ-Struktur (143, 146, 148) eine konische Elektrodenseitenwand auf, die an eine Säulenstruktur 150 angrenzt und nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess den ersten mittleren Konuswinkel α in Bezug auf die vertikale Richtung (die senkrecht zu einer Grenzfläche mit der Säulenstruktur 150 ist) hat. Die Säulenstruktur 150 kann eine konische Säulenseitenwand haben, die sich von der Oberseite der Säulenstruktur 150 bis zu ihrer Unterseite erstreckt, und die konische Säulenseitenwand kann einen zweiten mittleren Konuswinkel β in Bezug auf die vertikale Richtung haben, der kleiner als der erste mittlere Konuswinkel α ist. Eine obere Peripherie der konischen Säulenseitenwand kann mit einer unteren Peripherie der konischen Elektrodenseitenwand der oberen Elektrode 158 zusammenfallen. Die Zunahme des zweiten Konuswinkels β hat den vorteilhaften Effekt, dass eine Zufuhr von Sauerstoffquellgas zu den Seitenwänden der Säulenstrukturen 150 während eines späteren Plasma-Oxidationsprozesses erhöht wird und die Effektivität des späteren Plasma-Oxidationsprozesses steigt.
  • 6E ist eine vertikale Schnittansicht einer Speicherzelle 150 nach einem Oxidationsprozess, in dem eine dielektrische Metalloxidschicht 154 hergestellt wird. 7 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Strukturierungsprozess von 6E gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • In den 6E und 7 kann ein Oxidationsprozess durchgeführt werden, um die Restmetallschicht 151, Oberflächenteile der oberen Elektroden 158 und Oberflächenteile der metallischen Materialien in den Säulenstrukturen 150 in eine dielektrische Metalloxidschicht 154 umzuwandeln. Die Oberflächenteile der metallischen Materialien in den Säulenstrukturen 150 umfassen Oberflächenteile von metallischen Materialien in den MTJ-Strukturen (143, 146, 148), d. h., die Oberflächenteile des ersten ferromagnetischen Materials der Referenzmagnetisierungsschicht 143 und die Oberflächenteile des zweiten ferromagnetischen Materials der freien Magnetisierungsschichten 148. Jede dielektrische Metalloxidschicht 154 kann auf einer jeweiligen Speicherzelle (158, 150) hergestellt werden und kann einen oberen Teil in Kontakt mit einer oberen Elektrode 158, einen unteren Teil in Kontakt mit der konischen Säulenseitenwand (d. h., der Seitenwand der Säulenstruktur 150) und einen unteren Teil in Kontakt mit konischen Oberflächen eines Mesateils der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 aufweisen.
  • Aufgrund der verschiedenen metallischen Interconnect-Strukturen, die in den dielektrischen Materialschichten in der beispielhaften Struktur vorhanden sind, beträgt die Höchsttemperatur, der die beispielhafte Struktur in BEOL-Bearbeitungsschritten (BEOL: Back End of Line) ausgesetzt werden kann, etwa 400 °C. Daher ist ein thermischer Oxidationsprozess unpraktisch. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Oxidationsprozess, der auf dieser Bearbeitungsstufe verwendet wird, ein Plasma-Oxidationsprozess. Bei einer Ausführungsform kann Methanol in einer Gasphase als ein Sauerstoffquellgas während des Plasma-Oxidationsprozesses verwendet werden. Zum Erhöhen der Effektivität des Plasma-Oxidationsprozesses kann ein MICP-Oxidationsprozess (MICP: magnetisiertes induktiv gekoppeltes Plasma) verwendet werden. Der MICP-Oxidationsprozess ermöglicht zwar eine effektive Oxidation bei einer niedrigen Bearbeitungstemperatur, aber die Effektivität und die Prozessgleichmäßigkeit können in den Fällen beeinträchtigt werden, in denen die Zufuhr des Sauerstoffquellgases zu den ausgesparten Bereichen während des MICP-Oxidationsprozesses begrenzt ist. Der Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess auf der Bearbeitungsstufe von 6D hat den Effekt, das Seitenverhältnis von ausgesparten Bereichen (d. h., Bereichen in der Nähe der ausgesparten horizontalen Oberfläche der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110) in der zweidimensionalen Matrix von Speicherzellen (158, 150) zu reduzieren. Somit kann der Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess die Prozessgleichmäßigkeit und die Effektivität des MICP-Oxidationsprozesses erhöhen.
  • Um jede Speicherzelle (158, 150) haben die metallischen Materialien, die in die dielektrische Metalloxidschicht 154 integriert werden, eine Zusammensetzungsschwankung quer über die verschiedenen Oberflächen der oberen Elektrode 158, der Säulenstruktur 150 und des Mesateils der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110. Dadurch kann jede dielektrische Metalloxidschicht 154 eine Zusammensetzungsschwankung haben.
  • Jede dielektrische Metalloxidschicht 154 erstreckt sich über eine konische Elektrodenseitenwand und eine konische Säulenseitenwand der Speicherzelle (158, 150). Das Material des oberen Teils jeder dielektrischen Metalloxidschicht 154, das die obere Elektrode 158 kontaktiert, kann in erster Linie durch Oxidation des nichtmagnetischen Metallelements der oberen Elektrode 158 entstehen. Somit kann der obere Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements der oberen Elektrode 158 mit einem mittleren Molanteil von 0,9 bis 1,0 aufweisen.
  • Jede MTJ-Struktur (143, 146, 148) kann eine Referenzmagnetisierungsschicht 143 mit einem ersten ferroelektrischen Material, eine Tunnelsperrschicht 146 und eine freie Magnetisierungsschicht 148 mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthalten. Bei dieser Ausführungsform kann ein unterer Teil jeder dielektrischen Metalloxidschicht 154 auf einer konischen Seitenwand einer jeweiligen Säulenstruktur 150 hergestellt werden und kann ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material aufweisen, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält. Ein Atomanteil des nichtmagnetischen Metallelements der oberen Elektroden 158 in der Restmetallschicht 151 kann sich in Abhängigkeit von dem Bearbeitungsablauf und von den Prozessparametern ändern und kann 0,001 bis 0,5, z. B. 0,01 bis 0,3 und/oder 0,1 bis 0,2, betragen. Der mittlere Molanteil des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 kann 0,001 bis 0,5, z. B. 0,01 bis 0,3 und/oder 0,1 bis 0,2, betragen, aber in Abhängigkeit von den Prozessparametern sind auch niedrigere und höhere Molanteile möglich.
  • Bei einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung des unteren Teils jeder dielektrischen Metalloxidschicht 154, der in Kontakt mit einer konischen Säulenseitenwand ist, entlang einer vertikalen Richtung geändert werden. Zum Beispiel kann in jeder Restmetallschicht 151 das erste ferromagnetische Material einen höheren Atomanteil auf einer Seitenwand der Referenzmagnetisierungsschicht 143 haben, das zweite ferromagnetische Material kann einen höheren Atomanteil auf einer Seitenwand der freien Magnetisierungsschicht 148 haben, und das nichtmagnetische Metallelement der oberen Elektroden 158 kann einen höheren Atomanteil auf einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 haben. Im Allgemeinen kann sich der Atomanteil des nichtmagnetischen Metallelements der oberen Elektroden 158 in der Restmetallschicht 151 in Abhängigkeit von dem Bearbeitungsablauf und von den Prozessparametern ändern. Bei einer Ausführungsform kann sich ein Spitzenwert des Molanteils des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 benachbart zu der Tunnelsperrschicht 146 befinden, zum Beispiel zwischen einer horizontalen Ebene, die eine Oberseite der Tunnelsperrschicht 146 enthält, und einer horizontalen Ebene, die eine Unterseite der Tunnelsperrschicht 146 enthält.
  • Bei einer Ausführungsform erstreckt sich ein unterer Teil jeder dielektrischen Metalloxidschicht 154 über einem oberen Teil einer konischen Seitenwand eines jeweiligen tieferliegenden Mesateils der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110. Der untere Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 kann das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements in einem Molanteil von 0,2 bis 1,0, z. B. von 0,3 bis 0,8 und/oder von 0,4 bis 0,6, enthalten, aber es sind auch kleinere und größere Molanteile möglich.
  • In jeder Säulenstruktur 150 kann die Tunnelsperrschicht 146 ein Schnabelprofil in einer vertikalen Schnittansicht haben, wobei ein Teil einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 seitlich nach innen ausgespart wird, um eine ringförmige seitliche Aussparung 147 zu erzeugen. Die dielektrische Metalloxidschicht 154 füllt die ringförmige seitliche Aussparung 147 zumindest teilweise und/oder vollständig, sodass eine äußere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht 154 eine geringere laterale Welligkeit über der Tunnelsperrschicht 146 in einem vertikalen Querschnittsprofil als eine innere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht 154, die die Tunnelsperrschicht 146 kontaktiert, in dem vertikalen Querschnittsprofil hat.
  • Aufgrund der Änderungen bei der Materialzusammensetzung der Restmetallschicht 151, der Dickenschwankung in der Restmetallschicht 151 und der Unterschiede in der Zusammensetzung der tieferliegenden Materialteile und der daraus resultierenden Unterschiede in der Oxidationsgeschwindigkeit der tieferliegenden Materialteile der Speicherzellen (158, 150) kann sich eine Dicke der dielektrischen Metalloxidschicht 154 quer über die verschiedenen Materialteile einer Speicherzelle (158, 150) ändern. Außerdem beeinflusst auch die Dauer des Plasma-Oxidationsprozesses, der zum Herstellen der dielektrischen Metalloxidschicht 154 verwendet wird, die Dicke der dielektrischen Metalloxidschicht 154. Im Allgemeinen kann die Dicke der dielektrischen Metalloxidschicht 154 0,5 nm bis 6 nm, z. B. 1 nm bis 3 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Im Allgemeinen kann die dielektrische Metalloxidschicht 154 als eine zusammenhängende Materialschicht, und nicht als diskrete Bereiche von getrennten Materialteilen, hergestellt werden. Durch Herstellen der dielektrischen Metalloxidschicht 154 als eine zusammenhängende Materialschicht können elektrisch leitende Pfade auf den konischen Säulenseitenwänden der Säulenstrukturen 150 entfernt werden.
  • 8 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Erzeugen einer Matrix von dielektrischen Abstandshaltern 162 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Über der Matrix von Speicherzellen (158,150) kann ein dielektrisches Abstandshaltermaterial konform abgeschieden werden. Bei einer Ausführungsform können die dielektrischen Abstandshalter 162 ein dielektrisches Diffusionssperrmaterial, wie etwa Siliziumnitrid, aufweisen. Das dielektrische Abstandshaltermaterial kann durch plasmaunterstützte chemische Aufdampfung (PECVD) abgeschieden werden. Eine Dicke des dielektrischen Abstandshaltermaterials kann 2 nm bis 20 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden. Horizontale Teile der dielektrischen Abstandshalter 162 können mit einem anisotropen Ätzprozess entfernt werden. Übrige Teile des dielektrischen Abstandshaltermaterials umfassen eine Matrix von dielektrischen Abstandshaltern 162, die die Matrix von Speicherzellen (158, 150) seitlich umschließen. Bei einer Ausführungsform kann die Dauer des anisotropen Ätzprozesses so gewählt werden, dass die dielektrischen Metalloxidschichten 154 über einem oberen Teil jeder oberen Elektrode 158 physisch freigelegt werden. Die maximale Dicke jedes dielektrischen Abstandshalters 162 kann 2 nm bis 20 nm, z. B. 4 nm bis 10 nm, betragen, aber es können auch kleinere und größere Dicken verwendet werden.
  • 9 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen einer dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 kann um die und über der Matrix von dielektrischen Abstandshaltern 162 und der Matrix von Speicherzellen (158,150) hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform umschließt die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 die dielektrischen Abstandshalter 162, und sie ist durch die dielektrischen Abstandshalter 162 seitlich von den Säulenstrukturen 150 beabstandet. Die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 umschließt jede der oberen Elektroden 158 seitlich und bettet sie ein. Bei einer Ausführungsform weist die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 ein planarisierbares dielektrisches Material auf, wie etwa undotiertes Silicatglas oder ein dotiertes Silicatglas. Das dielektrische Material der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 kann mit einem konformen Abscheidungsverfahren (z. B. chemische Aufdampfung) oder einen selbstplanarisierenden Abscheidungsverfahren (wie etwa Schleuderbeschichtung) abgeschieden werden. Die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 kann mit einer planaren Oberseite (wie sie zum Beispiel durch Schleuderbeschichtung erzeugt wird) hergestellt werden, oder sie kann mit einem Planarisierungsprozess (wie etwa einem CMP-Prozess) planarisiert werden, um eine planare Oberseite bereitzustellen. Ein vertikaler Mindestabstand zwischen der planaren Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 und den oberen Elektroden 158 kann 30 nm bis 300 nm betragen, aber es können auch kleinere und größere vertikale Mindestabstände verwendet werden.
  • 10 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von integrierten Leitungs- und Durchkontaktierungsöffnungen durch die dielektrische Speicherebene-Schicht gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zum Erzeugen von Speicherebene-Interconnect-Öffnungen (663, 665) in der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 können mindestens ein lithografischer Strukturierungsprozess und mindestens ein anisotroper Ätzprozess verwendet werden. Zum Beispiel kann über der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 eine erste Fotoresistschicht (nicht dargestellt) aufgebracht werden, die anschließend lithografisch strukturiert werden kann, um eine Matrix von diskreten Öffnungen in der ersten Fotoresistschicht zu erzeugen. Durchkontaktierungsöffnungen in der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 können mit einem ersten anisotropen Ätzprozess erzeugt werden. Nachdem die erste Fotoresistschicht entfernt worden ist, kann über der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 eine zweite Fotoresistschicht (nicht dargestellt) aufgebracht werden, die dann lithografisch strukturiert werden kann, um linienförmige Öffnungen darin zu erzeugen. Die linienförmigen Öffnungen in der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 können mit einem zweiten anisotropen Ätzprozess erzeugt werden. Anschließend kann die zweite Fotoresistschicht entfernt werden.
  • In dem Speichermatrixbereich 100 können erste Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 663 erzeugt werden, und in dem peripheren Bereich 200 können zweite Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 665 erzeugt werden. Bei einer Ausführungsform können die Speicherebene-Interconnect-Öffnungen (663, 665) als integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsöffnungen erzeugt werden. Bei dieser Ausführungsform kann jede integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsöffnung eine Leitungsöffnung, die sich in einem oberen Teil der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 befindet, und mindestens eine Durchkontaktierungsöffnung umfassen, die an einen unteren Teil der Leitungsöffnung angrenzt und sich vertikal durch einen oberen Teil der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 und nach unten bis zu einer Oberseite einer tieferliegenden metallischen Struktur erstreckt. Insbesondere erstrecken sich die ersten Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 663 vertikal durch einen oberen Teil einer jeweiligen dielektrischen Metalloxidschicht 154, und eine konvexe Oberseite einer oberen Elektrode 158 kann an einer Unterseite jeder ersten Speicherebene-Interconnect-Öffnung 663 physisch freigelegt werden. Die zweiten Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 665 erstrecken sich vertikal durch die dielektrische Speicherebene-Schicht 170, die dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 und die dielektrische Verkappungsschicht 108, und eine Oberseite einer Metallleitungsstruktur (wie etwa einer vierten Metallleitungsstruktur 648) kann an einer Unterseite jeder zweiten Speicherebene-Interconnect-Öffnung 665 physisch freigelegt werden. Im Allgemeinen können sich die ersten Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 663 vertikal zwischen der Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 und einer Oberseite einer jeweiligen der oberen Elektrode 158 erstrecken, und die zweiten Speicherebene-Interconnect-Öffnungen 665 können sich vertikal zwischen der Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 und einer Oberseite einer jeweiligen tieferliegenden metallischen Interconnect-Struktur erstrecken.
  • 11 ist eine vertikale Schnittansicht der beispielhaften Struktur nach dem Herstellen von metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In den Speicherebene-Interconnect-Öffnungen (663, 665) kann mindestens ein metallisches Material abgeschieden werden. Das mindestens eine metallische Material wird hier als ein metallisches Speicherebene-Material bezeichnet. Bei einer Ausführungsform können eine metallische Sperrschicht (wie etwa eine TiN-Schicht, eine TaN-Schicht und/oder einen WN-Schicht) und ein metallisches Füllmaterial (wie etwa W, Cu, Co, Ru, Mo oder eine intermetallische Legierung) in den Speicherebene-Interconnect-Öffnungen (663, 665) und über der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 abgeschieden werden.
  • Das metallische Speicherebene-Material kann mit einem Planarisierungsprozess, wie etwa einem CMP-Prozess, von der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 entfernt werden. Mit dem CMP-Prozess kann das metallische Speicherebene-Material über der horizontalen Ebene entfernt werden, die die Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 enthält. Übrige Teile des metallischen Speicherebene-Materials, das die Speicherebene-Interconnect-Öffnungen (663, 665) füllt, weisen metallische Speicherebene-Interconnect-Strukturen (664, 666) auf. Bei einer Ausführungsform können die metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen (664, 666) integrierte Leitungs- und Durchkontaktierungsstrukturen sein, die eine jeweilige Metallleitung und eine jeweilige Gruppe von mindestens einer metallischen Durchkontaktierungsstruktur aufweisen. Die Metallleitungen der metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen (664, 666) können Oberseiten in der horizontalen Ebene haben, die die Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 enthält.
  • Die metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen (664, 666) weisen erste metallische Speicherebene-Interconnect-Strukturen 664 und zweite metallische Speicherebene-Interconnect-Strukturen 666 auf. Die ersten metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen 664 können sich vertikal durch die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 erstrecken und können eine jeweilige Kontaktdurchkontaktierungsstruktur aufweisen, die eine jeweilige der oberen Elektroden 158 kontaktiert. Die zweiten metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen 666 können sich vertikal durch die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 erstrecken und können einen jeweiligen Durchkontaktierungsteil aufweisen, der eine jeweilige der tieferliegenden metallischen Interconnect-Strukturen kontaktiert. Im Allgemeinen kontaktiert bei jeder Speicherzelle (158, 150) in einer zweidimensionalen Matrix von Speicherzellen (158, 150) eine Kontaktdurchkontaktierungsstruktur (die einen Teil einer ersten metallischen Speicherebene-Interconnect-Struktur 664 aufweisen kann) eine konvexe Oberseite einer oberen Elektrode 158, und sie erstreckt sich vertikal durch eine Öffnung in einer dielektrischen Metalloxidschicht 154. Jede Kontaktdurchkontaktierungsstruktur, die eine obere Elektrode 158 kontaktiert, kann sich durch die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 erstrecken und kann eine konvexe Oberseite der oberen Elektrode 158 kontaktieren.
  • Über der Speicherebene können weitere metallische Interconnect-Strukturen (nicht dargestellt) hergestellt werden, die sich vertikal von der Unterseite der dielektrischen Verkappungsschicht 108 bis zu der Oberseite der dielektrischen Speicherebene-Schicht 170 erstrecken. Die weiteren metallischen Interconnect-Strukturen können in weitere dielektrische Materialschichten (nicht dargestellt) eingebettet werden. Die metallischen Speicherebene-Interconnect-Strukturen (664, 666) und die weiteren metallischen Interconnect-Strukturen können zum elektrischen Verbinden der oberen Elektroden 158 der Speicherzellen (158, 150) mit einem jeweiligen elektrischen Knoten der CMOS-Schaltung 700 verwendet werden.
  • Daten aus Prüfungen von hergestellten Probekörpern mit der beispielhaften Struktur, die unter der Aufsicht der Erfinder generiert wurden, zeigen eine Reduzierung der Bitfehlerrate, die von elektrischen Kurzschlüssen in den Speicherzellen (158, 150) verursacht wird, um einen Faktor von etwa 10 bis 100 im Vergleich zu Daten von Referenz-Probekörpern, bei denen der Oxidationsprozess zum Herstellen von dielektrischen Metalloxidschichten weggelassen wurde. Somit bietet die Herstellung der dielektrischen Metalloxidschichten 154 den vorteilhaften Effekt, dass elektrische Kurzschlüsse in den Säulenstrukturen 150 unterdrückt werden.
  • Von der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können verschiedene Ausführungsformen dadurch abgeleitet werden, dass ein oder mehrere der Bearbeitungsschritte der 6A bis 6D weggelassen werden. Außerdem kann die Reihenfolge des Ablaufs der Bearbeitungsschritte der 6B bis 6D mit unterschiedlichen Graden des Einflusses auf die Gesamteffektivität beim Vermeiden von elektrischen Kurzschlüssen zwischen Komponenten jeder Speicherzelle (158, 150) und beim Verbessern von elektrischen Eigenschaften jeder Speicherzelle (158, 150) geändert werden.
  • Die 12A bis 12E zeigen aufeinanderfolgende vertikale Schnittansichten einer Speicherzelle (158, 150) während einer zweiten beispielhaften Sequenz von Strukturierungsprozessen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In der zweiten beispielhaften Sequenz von Strukturierungsprozessen kann der Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess vor dem Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess durchgeführt werden.
  • In 12A ist eine Speicherzelle (158,150) nach dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess dargestellt, der dem Bearbeitungsschritt von 6A entspricht.
  • In 12B und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess durchgeführt werden. Für den Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess kann dieselbe Gruppe von Prozessparametern wie für den Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess von 6D verwendet werden. Jede obere Elektrode 158 kann eine konische Seitenwand und eine konvexe Oberseite haben. Im Allgemeinen grenzt die konvexe Oberseite an die konische Seitenwand in einem Winkel an, sodass eine ringförmige Grenze zwischen der konvexen Oberseite und der konischen Seitenwand exakt definiert werden kann. Die konischen Seitenwände der oberen Elektroden 158 werden hier als konische Elektrodenseitenwände bezeichnet. Der mittlere Konuswinkel der konischen Seitenwände der Säulenstrukturen 150 (d. h., der konischen Säulenseitenwände) wird hier als ein erster mittlerer Konuswinkel α bezeichnet. Der mittlere Konuswinkel der konischen Seitenwände der oberen Elektroden 158 (d. h., der konischen Elektrodenseitenwände) wird hier als ein zweiter mittlerer Konuswinkel β bezeichnet. Der erste mittlere Konuswinkel α ändert sich während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses nicht erheblich. Hingegen nimmt der zweite mittlere Konuswinkel β während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses um mindestens 0,5° zu. Normalerweise ist der zweite mittlere Konuswinkel β gleich dem ersten mittleren Konuswinkel α vor dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess. Die Zunahme des zweiten mittleren Konuswinkels β während des Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses kann 0,5° bis 200, z. B. 30 bis 15°, betragen. Zum Beispiel kann der erste mittlere Konuswinkel α nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess 8° bis 32° betragen, und der zweite mittlere Konuswinkel β kann nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess 2° bis 12° betragen.
  • In jeder Speicherzelle (158, 150) weist eine obere Elektrode 158 über einer MTJ-Struktur (143, 146, 148) eine konische Elektrodenseitenwand auf, die an eine Säulenstruktur 150 angrenzt und nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess den ersten mittleren Konuswinkel α in Bezug auf die vertikale Richtung (die senkrecht zu einer Grenzfläche mit der Säulenstruktur 150 ist) hat. Die Säulenstruktur 150 kann eine konische Säulenseitenwand haben, die sich von der Oberseite der Säulenstruktur 150 bis zu ihrer Unterseite erstreckt, und die konische Säulenseitenwand kann einen zweiten mittleren Konuswinkel β in Bezug auf die vertikale Richtung haben, der kleiner als der erste mittlere Konuswinkel α ist. Eine obere Peripherie der konischen Säulenseitenwand kann mit einer unteren Peripherie der konischen Elektrodenseitenwand der oberen Elektrode 158 zusammenfallen. Die Zunahme des zweiten Konuswinkels β hat den vorteilhaften Effekt, eine Zufuhr von Sauerstoffquellgas zu den Seitenwänden der Säulenstrukturen 150 während eines späteren Plasma-Oxidationsprozesses zu erhöhen und eine Effektivität des späteren Plasma-Oxidationsprozesses zu verbessern.
  • In 12C und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess durchgeführt werden. Für den Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess von 12C kann dieselbe Gruppe von Prozessparametern wie für den Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess von 6B verwendet werden.
  • In 12D und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess durchgeführt werden. Für den Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess von 12D kann dieselbe Gruppe von Prozessparametern wie für den Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess von 6D verwendet werden.
  • In 12E und gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Oxidationsprozess durchgeführt werden, um die Restmetallschicht 151, Oberflächenteile der oberen Elektroden 158 und Oberflächenteile der metallischen Materialien in den Säulenstrukturen 150 in eine dielektrische Metalloxidschicht 154 umzuwandeln. Für den Oxidationsprozess von 12E kann dieselbe Gruppe von Prozessparametern wie für den Oxidationsprozess der 6E und 7 verwendet werden.
  • Anschließend können die Bearbeitungsschritte der 8 bis 11 durchgeführt werden, um die beispielhafte Struktur bereitzustellen, die in 11 gezeigt ist.
  • 13A ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess der Bearbeitungsschritte der 5, 6A und 12A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 13B ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach dem Entfernen eines überwiegenden Teils einer Rest-Nebenproduktschicht durch Durchführen des Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses der 6B oder 12C gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess bietet den Vorzug, dass ein überwiegender Teil einer Rest-Nebenproduktschicht 153 entfernt wird. In diesem Beispiel nimmt eine Dicke der Rest-Nebenproduktschicht 153 von 3,3 nm auf weniger als 1,0 nm ab.
  • 14A ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess der Bearbeitungsschritte der 5, 6A und 12A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 14B ist eine schematische vertikale Schnittansicht einer Säulenstruktur nach einem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess von 6C oder 12D gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess bietet den Vorzug, die Tiefe einer ringförmigen seitlichen Aussparung 147 einer Tunnelsperrschicht 146 zu reduzieren. In diesem Beispiel hatte die ringförmige seitliche Aussparung 147 einer Tunnelsperrschicht 146 vor dem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess eine Anfangstiefe Do von etwa 3,0 nm und eine Anfangsbreite Wo von etwa 2,3 nm. Die ringförmige seitliche Aussparung 147 der Tunnelsperrschicht 146 hatte nach dem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess eine Nachbehandlungstiefe Di von etwa 2,3 nm und eine Nachbehandlungsbreite W1 von etwa 2,0 nm. Somit hat das Volumen der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 nach dem Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess abgenommen. Durch die Reduzierung des Volumens der ringförmigen seitlichen Aussparung 147 werden die anormalen peripheren Effekte in der Tunnelsperrschicht 146 reduziert und die elektrischen Eigenschaften der MTJ-Struktur (143, 146, 148) in einer Speicherzelle (158,150) werden verbessert.
  • 15 ist ein erstes Ablaufdiagramm, das eine erste Sequenz von Bearbeitungsschritten zum Herstellen einer MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt. In der ersten Sequenz werden optionale Bearbeitungsschritte der 6B bis 6D oder der 12B bis 12D weggelassen. In einem Schritt 1510 der 1 bis 3 kann ein Schichtstapel mit einer Untere-Elektrode-Materialschicht 126L, MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) und einer Obere-Elektrode-Materialschicht 158L über einem Substrat 9 hergestellt werden. Die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L weist ein metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält. In einem Schritt 1520 von 4 kann die Obere-Elektrode-Materialschicht 158L zu einer Hartmaskenstruktur mit einer oberen Elektrode 158 (wie etwa einer zweidimensionalen Matrix von oberen Elektroden 158) strukturiert werden. In einem Schritt 1530 der 5, 6A und 12A werden die MTJ-Materialschichten (143, 146L, 148L) und die Untere-Elektrode-Materialschicht 126L mit einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess zu einer strukturierten Struktur strukturiert, die eine Säulenstruktur 150 (wie etwa eine zweidimensionale Matrix von Säulenstrukturen 150) aufweist. Die Säulenstruktur 150 weist eine untere Elektrode 126 und eine MTJ-Struktur (143, 146, 148) auf. Während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses werden Oberflächenteile der oberen Elektrode 158 geätzt. Auf einer Seitenwand der Säulenstruktur 150 befindet sich eine Restmetallschicht 151, die das nichtmagnetische Metallelement enthält. In einem Schritt 1540 der 6E, 7 und 12E kann eine dielektrische Metalloxidschicht 154 durch Durchführen eines Oxidationsprozesses hergestellt werden, in dem die Restmetallschicht 151 und Oberflächenteile von metallischen Materialien in der MTJ-Struktur (143, 146, 148) und der oberen Elektrode 158 oxidiert werden.
  • 16 ist ein zweites Ablaufdiagramm, das eine zweite Sequenz von Bearbeitungsschritten zum Herstellen einer MTJ-Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt. In der zweiten Sequenz werden die optionalen Bearbeitungsschritte der 6B bis 6D oder der 12B bis 12D verwendet. Somit kann die zweite Sequenz von der ersten Sequenz abgeleitet werden, indem Schritte 1610, 1620 und 1630 zwischen den Schritt 1530 und den Schritt 1540 eingefügt werden. Es versteht sich, dass nur einer oder nur zwei der drei optionalen Schritte eingefügt werden können. Es versteht sich außerdem, dass die Reihenfolge der optionalen Bearbeitungsschritte zwischen jedem Paar von optionalen Bearbeitungsschritten umgekehrt werden kann. In dem Schritt 1610 der 6B und 12C kann ein Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess zu der in 14 gezeigten ersten Sequenz von Bearbeitungsschritten hinzugefügt werden. In dem Schritt 1620 der 6C und 12D kann ein Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozess in die in 14 gezeigte erste Sequenz von Bearbeitungsschritten eingefügt werden. In dem Schritt 1630 der 6D und 12B kann ein Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozess in die in 14 gezeigte erste Sequenz von Bearbeitungsschritten eingefügt werden.
  • In allen Zeichnungen und gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird eine MTJ-Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Säulenstruktur 15°, die von unten nach oben eine untere Elektrode 126 und eine MTJ-Struktur (143, 146, 148) aufweist, die eine Referenzmagnetisierungsschicht 143 mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht 146 und eine freie Magnetisierungsschicht 148 mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthält; eine obere Elektrode 158, die über der MTJ-Struktur (143, 146, 148) angeordnet ist und ein metallisches Material aufweist, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält; und eine dielektrische Metalloxidschicht 154, die sich von einer Seitenwand der Säulenstruktur 150 bis zu einer Seitenwand der oberen Elektrode 158 erstreckt, wobei ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154, der die Seitenwand der Säulenstruktur 150 kontaktiert, ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material aufweist, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält.
  • Bei einer Ausführungsform beträgt ein mittlerer Molanteil des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 0,001 bis 0,5. Bei einer Ausführungsform weist ein oberer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154, der die obere Elektrode 158 kontaktiert, das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements mit einem mittleren Molanteil von 0,9 bis 1,0 auf. Bei einer Ausführungsform ändert sich eine Zusammensetzung des unteren Teils der dielektrischen Metalloxidschicht 154 entlang einer vertikalen Richtung, und ein Spitzenwert des Molanteils des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 liegt zwischen einer horizontalen Ebene, die eine Oberseite der Tunnelsperrschicht 146 enthält, und einer horizontalen Ebene, die eine Unterseite der Tunnelsperrschicht 146 enthält.
  • Bei einer Ausführungsform weist die MTJ-Vorrichtung weiterhin eine Kontaktdurchkontaktierungsstruktur (die einen Teil einer ersten metallischen Speicherebene-Interconnect-Struktur 664 umfassen kann oder eine eigenständige metallische Durchkontaktierungsstruktur sein kann) auf, die eine konvexe Oberseite der oberen Elektrode 158 kontaktiert und sich vertikal durch eine Öffnung in der dielektrischen Metalloxidschicht 154 erstreckt.
  • Bei einer Ausführungsform weist die MTJ-Vorrichtung weiterhin Folgendes auf: eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110, die unter der Säulenstruktur 150 angeordnet ist und einen Mesateil aufweist, der von einem planaren Teil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 nach oben ragt und einen ringförmigen Teil einer Unterseite der Säulenstruktur 150 kontaktiert; und eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122,124), die in den Mesateil eingebettet ist und einen mittleren Teil der Unterseite der Säulenstruktur 150 kontaktiert. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 über einem oberen Teil einer konischen Seitenwand des Mesateils der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110, und der untere Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154 enthält das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements mit einem mittleren Molanteil von 0,2 bis 1,0.
  • Bei einer Ausführungsform hat die Tunnelsperrschicht 146 ein Vogelschnabelprofil in einer vertikalen Schnittansicht, wobei ein Teil einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht 146 seitlich nach innen ausgespart ist, um eine ringförmige seitliche Aussparung 147 bereitzustellen; und die dielektrische Metalloxidschicht 154 füllt die ringförmige seitliche Aussparung 147 zumindest teilweise, sodass in einem vertikalen Querschnittsprofil eine äußere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht 154 eine geringere laterale Welligkeit über der Tunnelsperrschicht 146 als eine innere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht 154 hat, die die Tunnelsperrschicht 146 kontaktiert.
  • Bei einer Ausführungsform weist die MTJ-Vorrichtung weiterhin Folgendes auf: einen dielektrischen Abstandshalter 162, der die Säulenstruktur 150 seitlich umschließt; und eine dielektrische Speicherebene-Schicht 170, die den dielektrischen Abstandshalter 162 seitlich umschließt und durch die dielektrische Metalloxidschicht 154 und den dielektrischen Abstandshalter 162 seitlich von der Säulenstruktur 150 beabstandet ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine MTJ-Vorrichtung bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine Säulenstruktur 15°, die von unten nach oben eine untere Elektrode 126 und eine MTJ-Struktur (143, 146, 148) aufweist, die eine Referenzmagnetisierungsschicht 143 mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht 146 und eine freie Magnetisierungsschicht 148 mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthält; und eine obere Elektrode 158, die über der MTJ-Struktur (143, 146, 148) angeordnet ist und eine konische Elektrodenseitenwand aufweist, die an die Säulenstruktur 150 angrenzt und einen ersten mittleren Konuswinkel α in Bezug auf eine vertikale Richtung hat, die senkrecht zu einer Grenzfläche mit der Säulenstruktur 150 ist, wobei die Säulenstruktur 150 eine konische Säulenseitenwand aufweist, die sich von einer Oberseite der Säulenstruktur 150 bis zu einer Unterseite der Säulenstruktur 150 erstreckt, und die konische Säulenseitenwand einen zweiten mittleren Konuswinkel β in Bezug auf die vertikale Richtung hat, der kleiner als der erste mittlere Konuswinkel α ist. Bei einer Ausführungsform beträgt der erste mittlere Konuswinkel α 8° bis 32°, und der zweite mittlere Konuswinkel β beträgt 2° bis 12°.
  • Bei einer Ausführungsform weist die obere Elektrode 158 ein metallisches Material auf, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält; eine dielektrische Metalloxidschicht 154 erstreckt sich über der konischen Elektrodenseitenwand und der konischen Säulenseitenwand; und ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 154, der die konische Säulenseitenwand kontaktiert, weist ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material auf, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält.
  • Bei einer Ausführungsform weist die MTJ-Vorrichtung weiterhin Folgendes auf: eine dielektrische Speicherebene-Schicht 170, die die obere Elektrode 158 seitlich umschließt; eine Kontaktdurchkontaktierungsstruktur (die einen Durchkontaktierungsteil in einer ersten metallischen Speicherebene-Interconnect-Struktur 664 umfassen kann oder eine eigenständige metallische Durchkontaktierungsstruktur sein kann), die sich durch die dielektrische Speicherebene-Schicht 170 erstreckt und eine konvexe Oberseite der oberen Elektrode 158 kontaktiert; eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110, die unter der Säulenstruktur 150 angeordnet ist und einen Mesateil aufweist, der von einem planaren Teil der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht 110 nach oben ragt und einen ringförmigen Teil einer Unterseite der Säulenstruktur 150 kontaktiert; und eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur (122, 124), die in den Mesateil eingebettet ist und einen mittleren Teil der Unterseite der Säulenstruktur 150 kontaktiert, wobei der Mesateil eine konische Seitenwand hat, die an die konische Säulenseitenwand angrenzt.
  • Vorstehend sind Merkmale verschiedener Ausführungsformen beschrieben worden, sodass Fachleute die Aspekte der vorliegenden Erfindung besser verstehen können. Fachleuten dürfte klar sein, dass sie die vorliegende Erfindung ohne Weiteres als eine Grundlage zum Gestalten oder Modifizieren anderer Verfahren und Strukturen zum Erreichen der gleichen Ziele und/oder zum Erzielen der gleichen Vorzüge wie bei den hier vorgestellten Ausführungsformen verwenden können. Fachleute dürften ebenfalls erkennen, dass solche äquivalenten Auslegungen nicht von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abweichen und dass sie hier verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vornehmen können, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (20)

  1. MTJ-Vorrichtung (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) mit: einer Säulenstruktur, die von unten nach oben eine untere Elektrode und eine MTJ-Struktur aufweist, die eine Referenzmagnetisierungsschicht mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht und eine freie Magnetisierungsschicht mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthält; einer oberen Elektrode, die über der MTJ-Struktur angeordnet ist und ein metallisches Material aufweist, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält; und einer dielektrischen Metalloxidschicht, die sich von einer Seitenwand der Säulenstruktur bis zu einer Seitenwand der oberen Elektrode erstreckt, wobei ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht, der die Seitenwand der Säulenstruktur kontaktiert, ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material aufweist, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält.
  2. MTJ-Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein mittlerer Molanteil des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht 0,001 bis 0,5 beträgt.
  3. MTJ-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oberer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht, der die obere Elektrode kontaktiert, das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements mit einem mittleren Molanteil von 0,9 bis 1,0 enthält.
  4. MTJ-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich eine Zusammensetzung des unteren Teils der dielektrischen Metalloxidschicht entlang einer vertikalen Richtung ändert, und ein Spitzenwert eines Molanteils des Metalloxids des nichtmagnetischen Metallelements in dem unteren Teil der dielektrischen Metalloxidschicht zwischen einer horizontalen Ebene, die eine Oberseite der Tunnelsperrschicht enthält, und einer horizontalen Ebene liegt, die eine Unterseite der Tunnelsperrschicht 146 enthält.
  5. MTJ-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin eine Kontaktdurchkontaktierungsstruktur aufweist, die eine konvexe Oberseite der oberen Elektrode kontaktiert und sich vertikal durch eine Öffnung in der dielektrischen Metalloxidschicht erstreckt.
  6. MTJ-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Folgendes aufweist: eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht, die unter der Säulenstruktur angeordnet ist und einen Mesateil aufweist, der von einem planaren Teil der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht nach oben ragt und einen ringförmigen Teil einer Unterseite der Säulenstruktur kontaktiert; und eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur, die in den Mesateil eingebettet ist und einen mittleren Teil der Unterseite der Säulenstruktur kontaktiert.
  7. MTJ-Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei sich ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht über einem oberen Teil einer konischen Seitenwand des Mesateils der Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht erstreckt, und der untere Teil der dielektrischen Metalloxidschicht das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements mit einem mittleren Molanteil von 0,2 bis 1,0 enthält.
  8. MTJ-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer vertikalen Schnittansicht die Tunnelsperrschicht ein Vogelschnabelprofil hat, wobei ein Teil einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht seitlich nach innen ausgespart ist, um eine ringförmige seitliche Aussparung bereitzustellen, und die dielektrische Metalloxidschicht die ringförmige seitliche Aussparung zumindest teilweise füllt, sodass in einem vertikalen Querschnittsprofil eine äußere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht eine geringere laterale Welligkeit über der Tunnelsperrschicht als eine innere Seitenwand der dielektrischen Metalloxidschicht hat, die die Tunnelsperrschicht kontaktiert.
  9. MTJ-Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiterhin Folgendes aufweist: einen dielektrischen Abstandshalter, der die Säulenstruktur seitlich umschließt; und eine dielektrische Speicherebene-Schicht, die den dielektrischen Abstandshalter seitlich umschließt und durch die dielektrische Metalloxidschicht und den dielektrischen Abstandshalter seitlich von der Säulenstruktur beabstandet ist.
  10. MTJ-Vorrichtung (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) mit: einer Säulenstruktur, die von unten nach oben eine untere Elektrode und eine MTJ-Struktur aufweist, die eine Referenzmagnetisierungsschicht mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht und eine freie Magnetisierungsschicht mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthält; und einer oberen Elektrode, die über der MTJ-Struktur angeordnet ist und eine konische Elektrodenseitenwand aufweist, die an die Säulenstruktur angrenzt und einen ersten mittleren Konuswinkel in Bezug auf eine vertikale Richtung hat, die senkrecht zu einer Grenzfläche mit der Säulenstruktur ist, wobei die Säulenstruktur eine konische Säulenseitenwand aufweist, die sich von einer Oberseite der Säulenstruktur bis zu einer Unterseite der Säulenstruktur erstreckt, und die konische Säulenseitenwand einen zweiten mittleren Konuswinkel in Bezug auf die vertikale Richtung hat, der kleiner als der erste mittlere Konuswinkel ist.
  11. MTJ-Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei der erste mittlere Konuswinkel 8° bis 32° beträgt, und der zweite mittlere Konuswinkel 2° bis 12° beträgt.
  12. MTJ-Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die obere Elektrode ein metallisches Material aufweist, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält, sich eine dielektrische Metalloxidschicht über der konischen Elektrodenseitenwand und der konischen Säulenseitenwand erstreckt, und ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht, der die konische Säulenseitenwand kontaktiert, ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material aufweist, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält.
  13. MTJ-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, die weiterhin Folgendes aufweist: eine dielektrische Speicherebene-Schicht, die die obere Elektrode seitlich umschließt; eine Kontaktdurchkontaktierungsstruktur, die sich durch die dielektrische Speicherebene-Schicht erstreckt und eine konvexe Oberseite der oberen Elektrode kontaktiert; eine dielektrische Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht, die unter der Säulenstruktur angeordnet ist und einen Mesateil aufweist, der von einem planaren Teil der dielektrischen Verbindungsdurchkontaktierungsebene-Schicht nach oben ragt und einen ringförmigen Teil einer Unterseite der Säulenstruktur kontaktiert; und eine Verbindungsdurchkontaktierungsstruktur, die in den Mesateil eingebettet ist und einen mittleren Teil der Unterseite der Säulenstruktur kontaktiert, wobei der Mesateil eine konische Seitenwand hat, die an die konische Säulenseitenwand angrenzt.
  14. Verfahren zum Herstellen einer MTJ-Vorrichtung (MTJ: magnetischer Tunnelkontakt) mit den folgenden Schritten: Herstellen eines Schichtstapels mit einer Untere-Elektrode-Materialschicht, MTJ-Materialschichten und einer Obere-Elektrode-Materialschicht über einem Substrat, wobei die Obere-Elektrode-Materialschicht ein metallisches Material aufweist, das ein nichtmagnetisches Metallelement enthält; Strukturieren der Obere-Elektrode-Materialschicht zu einer Hartmaskenstruktur, die eine obere Elektrode aufweist; Strukturieren der MTJ-Materialschichten und der Untere-Elektrode-Materialschicht zu einer strukturierten Struktur, die eine Säulenstruktur aufweist, mit einem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess, wobei die Säulenstruktur eine untere Elektrode und eine MTJ-Struktur aufweist, Oberflächenteile der oberen Elektrode während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses geätzt werden und sich eine Restmetallschicht, die das nichtmagnetische Metallelement enthält, auf einer Seitenwand der Säulenstruktur befindet; und Herstellen einer dielektrischen Metalloxidschicht durch Durchführen eines Oxidationsprozesses, in dem die Restmetallschicht und Oberflächenteile von metallischen Materialien in der MTJ-Struktur oxidiert werden.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die MTJ-Struktur eine Referenzmagnetisierungsschicht mit einem ersten ferromagnetischen Material, eine Tunnelsperrschicht und eine freie Magnetisierungsschicht mit einem zweiten ferromagnetischen Material enthält, und ein unterer Teil der dielektrischen Metalloxidschicht, der auf der Säulenstruktur hergestellt wird, ein dielektrisches Verbundmetalloxid-Material aufweist, das ein Metalloxid des ersten ferromagnetischen Materials, ein Metalloxid des zweiten ferromagnetischen Materials und ein Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements enthält.
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei in dem Oxidationsprozess Oberflächenteile der oberen Elektrode in einen oberen Teil der dielektrischen Metalloxidschicht umgewandelt werden, und der obere Teil der dielektrischen Metalloxidschicht das Metalloxid des nichtmagnetischen Metallelements mit einem mittleren Molanteil von 0,9 bis 1,0 enthält.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei in dem Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess eine Rest-Nebenproduktschicht entsteht, die eine Verbindung von Ionenstrahlspezies des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses aufweist und mit der Restmetallschicht verschachtelt ist oder auf dieser angeordnet ist, und das Verfahren weiterhin ein Entfernen eines überwiegenden Teils der Rest-Nebenproduktschicht durch Durchführen eines Schräg-Ionenstrahl-Beschussprozesses umfasst, in dem Ionen auf die Rest-Nebenproduktschicht in einem Winkel auftreffen, der größer als 30° in Bezug auf eine vertikale Richtung ist, die senkrecht zu einer Grenzfläche zwischen der Säulenstruktur und der oberen Elektrode ist.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Tunnelsperrschicht mit einem Vogelschnabelprofil in einer vertikalen Schnittansicht hergestellt wird, wobei ein Teil einer Seitenwand der Tunnelsperrschicht seitlich nach innen ausgespart wird, um eine ringförmige seitliche Aussparung bereitzustellen, und das Verfahren weiterhin ein Durchführen eines Aussparungsreduzierungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses umfasst, in dem Ionen, die eine niedrigere Energie als die Ionenenergie während des Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozesses haben, auf die Säulenstruktur gerichtet werden und die metallischen Materialien in der MTJ-Struktur mit einer höheren Ätzrate als ein Material der Tunnelsperrschicht entfernen.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei der Fokussierter-Ionenstrahl-Ätzprozess eine erste Winkeldivergenz in einer Ausbreitungsrichtung eines Ionenstrahls hat, und das Verfahren weiterhin ein Durchführen eines Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozesses umfasst, in dem einen Ionenstrahl mit einer zweiten Winkeldivergenz auf die Säulenstruktur gerichtet wird, wobei die obere Elektrode so geätzt wird, dass eine Seitenwand bereitgestellt wird, die einen größeren Konuswinkel in Bezug auf eine vertikale Richtung hat.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Oxidationsprozess nach dem Hartmaskentrimmungs-Ionenstrahl-Ätzprozess durchgeführt wird, und der Oxidationsprozess einen Plasma-Oxidationsprozess unter Verwendung von Methanol als ein Sauerstoffquellgas umfasst.
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